WO2015110196A1 - Vorrichtung und verfahren für einen orc-kreisprozess - Google Patents

Vorrichtung und verfahren für einen orc-kreisprozess Download PDF

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WO2015110196A1
WO2015110196A1 PCT/EP2014/074167 EP2014074167W WO2015110196A1 WO 2015110196 A1 WO2015110196 A1 WO 2015110196A1 EP 2014074167 W EP2014074167 W EP 2014074167W WO 2015110196 A1 WO2015110196 A1 WO 2015110196A1
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flow
evaporator
downstream
heat
heat exchanger
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PCT/EP2014/074167
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Inventor
Detlef Haje
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the invention relates to an apparatus for carrying out a thermal cycle process according to the principle of the Organic Rankine Cycle (ORC) for converting an energy of a heat source into mechanical energy, in which an organic working fluid circulates in a cycle.
  • the apparatus comprises an evaporator for evaporating the working fluid, a downstream turbine, a downstream condenser, a downstream feed pump and a return to the evaporator.
  • the invention relates to a method for carrying out a thermal cycle process according to the principle of the Organic Rankine Cycle for converting an energy of a heat source into mechanical energy, in which circulates a working fluid in a circuit and the circuit an evaporator for evaporation of the working fluid, a downstream turbine , a downstream condenser, a downstream feed pump, and a return to the evaporator.
  • a thermal cycle process according to the principle of the Organic Rankine Cycle for converting an energy of a heat source into mechanical energy, in which circulates a working fluid in a circuit and the circuit an evaporator for evaporation of the working fluid, a downstream turbine , a downstream condenser, a downstream feed pump, and a return to the evaporator.
  • Organic Rankine Cycle is a process for operating steam turbines with a working fluid other than water vapor.
  • ORC plants are typically fed by means of heat transfer media (in particular thermo-oil), whereby heat is supplied to an ORC process medium for the ORC cycle via the heat transfer medium, by means of which it is heated and finally evaporated.
  • the vaporized working fluid is expanded in a manner known per se in a turbine, condensed, conveyed to the evaporator and again evaporated.
  • the problem here is that comparatively tight temperature limits for the ORC work equipment must be adhered to, because overheating of the same is decomposed, and there are losses of efficiency and in the medium term to plant failures.
  • the aim is to keep the difference between the temperature of the heat carrier supplied to the ORC system and the temperature of the heat carrier discharged from the ORC system as great as possible. As a result, more energy per unit mass of the circulated heat carrier can be delivered to the working fluid. As the temperature difference increases, higher power can thus be transmitted in the case of media-side largely identical pipelines, pumps, heaters and the like.
  • the lower ORC process temperature and thus indirectly also the lower heat carrier temperature are usually dependent on a heating temperature by a cooling water temperature or in the provision of heating heat.
  • the above-mentioned goal can be achieved above all by raising the temperature of the supplied heat carrier.
  • DE 10 2004 041 108 B3 discloses a solution in which a secondary pump is used to lead a heat carrier (thermal oil) partially back to the inlet side of the evaporator after passing through the evaporator and with some cooling to mix incoming heat carrier. Through the mixture, a heat carrier temperature can be achieved at the inlet of the evaporator, which is harmless for the ORC working fluid.
  • a heat carrier thermal oil
  • Disadvantage of this solution is that additional equipment in the form of a pump, an engine and in the form of piping is required.
  • Another particularly serious disadvantage is that if the pump fails, an undesirable increase in the temperature of the ORC working fluid may occur. Disclosure of the invention
  • An object of the invention is therefore to provide an improved apparatus and an improved method for an ORC cycle.
  • a comparatively high difference between the temperature of the heat transfer medium supplied to the ORC system and the temperature of the heat carrier removed from the ORC system should be able to be achieved with relatively little expenditure on equipment.
  • the default risk should also be reduced.
  • the object of the invention is achieved with a device of the aforementioned type, in which a flow of a heat exchanger downstream of a heat exchanger of a heat carrier for heating the working fluid downstream downstream and upstream of a feed of the evaporator upstream of a second flow of the heat exchanger , which is heat coupled to the first flow.
  • the object of the invention is further achieved by a method of the type mentioned, in which a heat carrier supplied to the evaporator for heating the working fluid after the evaporator passes a first flow of a heat exchanger and before the evaporator a second flow of the heat exchanger, which with the first flow is heat coupled.
  • the said differential temperature of the heat carrier can be increased without exceeding the permissible limit temperature of the ORC working fluid.
  • the temperature of the inflowing heat carrier is brought to a permissible level and at the same time raises the temperature of the further flowing heat carrier, whereby the heat transfer in an optional subsequent ORC preheater is improved.
  • the heat transfer system can be made smaller and cheaper. moreover can a secondary pump and the associated piping, as proposed in DE 10 2004 041 108 B3 omitted. This also increases the reliability of the ORC system, as potential damage to the ORC equipment due to a failure of the secondary pump can be ruled out.
  • the device comprises a first bypass line bridging the first flow of the heat exchanger, the flow of which can be controlled / regulated. As a result, it can be influenced how much of the heat carrier leaving the evaporator will flow through the heat exchanger and thus cool the inflowing heat carrier.
  • the device comprises a second bypass line bridging the second throughflow of the heat exchanger, the flow of which can be controlled / regulated. As a result, it can be influenced how much of the heat transfer medium flowing to the evaporator should flow through the heat exchanger and thus be cooled by the outflowing heat transfer medium.
  • a controllable / controllable valve is inserted in the first and / or second bypass line.
  • said valve may be formed as a control valve and connected to a controller / controller.
  • a controllable / controllable pump is inserted in the first and / or second bypass line.
  • said pump can be designed as a radial pump and connected to a control / regulation.
  • the pump is installed in the first and / or second bypass line, that their flow rate is increased when switching on the pump.
  • a particularly advantageous embodiment of the presented device is provided when the evaporator, a first, integrated in the circuit of the working fluid flow of a preheater upstream upstream and a second, integrated in the flow of the heat carrier flow is downstream of the heat exchanger, wherein the first flow and the second flow is heat coupled.
  • the working medium flowing in to the evaporator can be preheated by the heat carrier flowing out of the evaporator and thus overall the efficiency of the ORC cycle can be improved.
  • the device comprises a downstream of the turbine in the circuit of the working fluid downstream first flow of a recuperator and downstream of the feed pump second flow of said recuperator, which with the first Flow is heat coupled. This can further improve the efficiency of the ORC cycle.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an ORC system with a heat exchanger arranged upstream of the evaporator and a bypass line bridging this on the evaporator outlet side and
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of an ORC system with a heat exchanger arranged upstream of the evaporator and a bypass line bridging this on the evaporator outlet side and
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of an ORC system with a heat exchanger upstream of the evaporator and a bypass line bridging this on the evaporator inlet side;
  • Fig. 1 shows a schematic block diagram of an apparatus 1 for carrying out a thermal cycle process according to the principle of the Organic Rankine Cycle for converting a
  • the apparatus 1 comprises an evaporator 2 for vaporizing the working fluid, a downstream turbine 3 coupled to a generator 4, a downstream condenser 5, a downstream feed pump 6 driven by a motor 7, and a return to Evaporator 2.
  • a first flow of a heat exchanger 9 downstream of a flow 8 of the heat exchanger for heating the working fluid downstream of a flow 8 of the evaporator 2, and a feed 10 of the evaporator 2 a second flow of the heat exchanger upstream upstream of 9, which with the first flow is heat coupled.
  • the heat transfer medium supplied to the evaporator 2 for heating the working fluid after the evaporator 2 passes through the first flow of the heat exchanger 9 and upstream of the evaporator 2 the second flow of the heat exchanger 9, which is heat-coupled to the first flow.
  • the temperature of the inflowing heat carrier is brought to a permissible level and at the same time the temperature of the further flowing heat carrier is raised.
  • a first by-pass line 11 bridging the first flow through the heat exchanger 9 is provided, whose flow can be controlled / regulated.
  • a controllable / controllable valve 12 is inserted in the first bypass line 11 to a controllable / controllable valve 12 inserted.
  • Characterized the heat transfer stream is divided in front of the heat exchanger 9, and guided through the heat exchanger 9 and the part passed to the heat exchanger 9 part are controlled / regulated.
  • the valve 12 may be designed as a control valve which is connected to a control / regulation. In the case of a control, the position of the valve 12 is advantageously influenced so that adjusts a desired temperature at the inlet of the evaporator 2.
  • a controllable / controllable pump could be inserted into the first bypass line 11, with which the flow through the first bypass line can be influenced.
  • the evaporator 2 in FIG. ter upstream of the flow of the working fluid integrated upstream of an optional preheater 13 upstream and a second, integrated in the flow of the heat transfer flow downstream of the heat exchanger 9, wherein the first flow and the second flow are heat coupled.
  • the working medium flowing in to the evaporator 2 is preheated in this way by the heat carrier flowing out of the evaporator 2.
  • the efficiency of the device 1 shown in FIG. 1 is further improved by a first downstream of an optional recuperator 14 downstream of the turbine 3 in the circuit of the working fluid and a second flow of said recuperator 14 downstream of the feed pump 6, wherein the first and the second flow is heat coupled.
  • FIG. 2 now shows a variant of the device 1 which is very similar to the variant shown in FIG. In contrast, instead of the first flow of the
  • Heat exchanger 9 bridging the first bypass line 11, a second bypass line 15 is provided, which the second
  • a controllable / controllable valve 16 is inserted in the second bypass line 15 to a controllable / controllable valve 16 inserted. Characterized the heat transfer stream is divided in front of the heat exchanger 9, and guided through the heat exchanger 9 and the part passed to the heat exchanger 9 part are controlled / regulated.
  • the valve 16 may in turn be designed as a control valve which is connected to a control / regulation. In the case of a control, the position of the valve 16 is advantageously influenced so that adjusts a desired temperature at the inlet of the evaporator 2.
  • a controllable / controllable pump could again be inserted into the second bypass line 15, with which the flow through the first bypass line can be influenced.
  • ORC device also includes more or fewer components than illustrated.
  • first and the second bypass line 11 and 15 can be used together, that is, the variant of the device 1 shown in FIG. 1 can be combined with the variant shown in FIG.

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zum Ausführen eines Organic Rankine Cycle Kreisprozesses angegeben, bei dem ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert, und welcher einen Verdampfer (2), eine Turbine (3), einen Kondensator (5), eine Speisepumpe (6) und eine Rückführung zum Verdampfer (2) aufweist. Dabei ist einem Ablauf (8) des Verdampfers (2) ein erster Durchfluss eines Wärmetauschers (9) im Strom eines Wärmeträgers zur Erhitzung des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert. Zudem ist einem Zulauf (10) des Verdampfers (2) ein zweiter Durchfluss des Wärmetauschers (9) stromaufwärts vorgelagert, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betrieb der genannten Vorrichtung (1) angegeben.

Description

BESCHREIBUNG
Vorrichtung und Verfahren für einen ORC-Kreisprozess Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) zur Umwandlung einer Energie einer Wärme- quelle in mechanische Energie, bei dem ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert. Die Vorrichtung umfasst einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene Turbine, einen stromabwärts gelegenen Kondensator, eine stromabwärts gelegene Speisepumpe und eine Rückführung zum Verdampfer. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Umwandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert und der Kreislauf einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene Turbine, einen stromabwärts gelegenen Kondensator, eine stromabwärts gelegene Speisepumpe und eine Rückführung zum Verdampfer umfasst. Stand der Technik
Anlagen zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC-Anlagen) der oben genannten Art sind grundsätzlich bekannt. Der Organic Rankine Cycle ist ein Verfahren zum Betrieb von Dampfturbinen mit einem anderen Arbeitsmittel als Wasserdampf. ORC-Anlagen werden typischerweise mittels Wärmeträgermedien (insbesondere Ther- mo-Öl) gespeist, wobei einem ORC-Arbeitsmittel für den ORC- Kreisprozess über den Wärmeträger Wärme zugeführt wird, wo- durch dieses erhitzt und letztlich verdampft wird. Das verdampfte Arbeitsmittel wird in an sich bekannter Weise in einer Turbine entspannt, kondensiert, zum Verdampfer gefördert und wiederum verdampft . Problematisch ist dabei, dass vergleichsweise enge Temperaturgrenzen für das ORC-Arbeitsmittel einzuhalten sind, denn bei einer Überhitzung desselben wird dieses zersetzt, und es kommt zu Wirkungsgradeinbußen und mittelfristig zu Anlagenausfällen. Andererseits ist man bestrebt, die Differenz zwischen der Temperatur des der ORC-Anlage zugeführten Wärmeträgers und der Temperatur des von der ORC-Anlage abgeführten Wärmeträgers möglichst groß zu halten. Dadurch kann mehr Energie pro Masseneinheit des umgewälzten Wärmeträgers an das Arbeitsmittel abgegeben werden. Mit zunehmender Temperaturdifferenz kann somit bei medienseitig weitgehend gleichen Rohrleitungen, Pumpen, Erhitzern und dergleichen eine höhere Leistung übertragen werden.
Die untere ORC-Prozesstemperatur und damit indirekt auch die untere Wärmeträgertemperatur sind in der Regel durch eine Kühlwassertemperatur oder bei der Bereitstellung von Heizwärme von einer Heiztemperatur abhängig. Somit kann das oben ge- nannte Ziel vor allem dadurch erreicht werden, das die Temperatur des zugeführten Wärmeträgers angehoben wird.
Dazu ist aus der DE 10 2004 041 108 B3 eine Lösung bekannt, bei der eine Sekundärpumpe verwendet wird, um einen Wärmeträ- ger (Thermo-Öl) nach Durchlaufen des Verdampfers und gewisser Abkühlung teilweise zurück auf die Eintrittsseite des Verdampfers zu führen und mit dem zuströmenden Wärmeträgers zu mischen. Durch die Mischung kann eine Wärmeträger-Temperatur am Eintritt des Verdampfers erreicht werden, welche für das ORC-Arbeitsmittel unschädlich ist. Nachteil dieser Lösung ist, dass zusätzlicher apparativer Aufwand in Form einer Pumpe, eines Motors und in Form von Rohrleitungen erforderlich ist. Ein weiterer besonders schwer wiegender Nachteil besteht darin, dass es bei einem Ausfall der Pumpe zu einer uner- wünschten Temperaturerhöhung des ORC-Arbeitsmittel kommen kann . Offenbarung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren für einen ORC-Kreisprozess anzugeben. Insbesondere soll eine vergleichsweise hohe Differenz zwischen der Temperatur des der ORC-Anlage zugeführten Wärmeträgers und der Temperatur des von der ORC-Anlage abgeführten Wärmeträgers bei relativ geringem apparativem Aufwand erzielt werden können. Zudem soll auch das Ausfallrisiko verringert werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, bei der einem Ablauf des Verdampfers ein erster Durchfluss eines Wärmetauschers im Strom ei- nes Wärmeträgers zur Erhitzung des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert und einem Zulauf des Verdampfers ein zweiter Durchfluss des Wärmetauschers stromaufwärts vorgelagert ist, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist. Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem ein dem Verdampfer zugeführter Wärmeträger zur Erhitzung des Arbeitsmittels nach dem Verdampfer einen ersten Durchfluss eines Wärmetauschers und vor dem Verdampfer einen zweiten Durchfluss des Wärmetau- schers passiert, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist.
Auf diese Weise kann die genannte Differenztemperatur des Wärmeträgers erhöht werden, ohne die zulässige Grenztempera- tur des ORC-Arbeitsmittels zu überschreiten. Dabei wird die Temperatur des zuströmenden Wärmeträgers auf ein zulässiges Niveau gebracht und gleichzeitig die Temperatur des weiterströmenden Wärmeträgers angehoben, wodurch der der Wärmeübergang in einem optionalen nachfolgenden ORC-Vorwärmer verbes- sert wird.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen kann die Wärmeträger- Anlage kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden. Zudem können eine Sekundärpumpe und die dazugehörige Verrohrung, so wie diese in der DE 10 2004 041 108 B3 vorgeschlagen sind, entfallen. Dadurch wird auch die Ausfallsicherheit der ORC- Anlage erhöht, da eine potenzielle Schädigung des ORC- Arbeitsmittels aufgrund eines Ausfalls der Sekundärpumpe ausgeschlossen werden kann.
An dieser Stelle wird angemerkt, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen sinngemäß (auch) für die Wärmetauscher mit dem höchsten Temperaturniveau im ORC-Kreisprozess gelten, falls es sich um einen überkritischen ORC-Prozess handelt, in dem keine eigentliche Verdampfung stattfindet, oder falls das ORC-Arbeitsmittel nach Verdampfung weiter erhitzt wird. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren.
Vorteilhaft ist es, wenn die Vorrichtung eine den ersten Durchfluss des Wärmetauschers überbrückende erste Bypass- Leitung umfasst, deren Durchfluss steuerbar/regelbar ist. Dadurch kann beeinflusst werden, wie viel des aus dem Verdampfer austretenden Wärmeträgers durch den Wärmetauscher fließen und damit den zuströmenden Wärmeträger abkühlen soll.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Vorrichtung eine den zweiten Durchfluss des Wärmetauschers überbrückende zweite Bypass-Leitung umfasst, deren Durchfluss steuerbar/regelbar ist. Dadurch kann beeinflusst werden, wie viel des dem Ver- dampfer zuströmenden Wärmeträgers durch den Wärmetauscher fließen und damit durch den abströmenden Wärmeträger abgekühlt werden soll.
Mit Hilfe der ersten und/oder zweiten Bypass-Leitung kann so- mit eine Variante des vorgestellten Verfahrens für den ORC- Prozess realisiert werden, bei dem der Wärmeträgerstrom vor dem Wärmetauscher aufgeteilt wird und der durch den Wärmetauscher geführte Teil und der am Wärmetauscher vorbei geführte Teil gesteuert/geregelt werden, wodurch sich die bereits genannten Vorteile ergeben.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn in die erste und/oder zweite Bypass-Leitung ein steuerbares/regelbares Ventil eingefügt ist. Dadurch kann der Durchfluss durch die erste und/oder zweite Bypass-Leitung auf einfache Weise beeinflusst werden. Beispielsweise kann das genannte Ventil als Stellventil ausgebildet und mit einer Steuerung/Regelung verbunden sein.
Günstig ist es aber auch, wenn in die erste und/oder zweite Bypass-Leitung eine steuerbare/regelbare Pumpe eingefügt ist. Dadurch ergibt sich ebenfalls eine Möglichkeit zur Beeinflus- sung des Durchflusses durch die erste und/oder zweite Bypass- Leitung. Beispielsweise kann die genannte Pumpe als Radialpumpe ausgebildet und mit einer Steuerung/Regelung verbunden sein. Vorteilhaft wird die Pumpe so in die erste und/oder zweite Bypass-Leitung eingebaut, dass deren Durchfluss bei Einschalten der Pumpe erhöht wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorgestellten Vorrichtung ist gegeben, wenn dem Verdampfer ein erster, in den Kreislauf des Arbeitsmittels eingebundener Durchfluss ei- nes Vorwärmers stromaufwärts vorgelagert ist und ein zweiter, in den Strom des Wärmeträgers eingebundener Durchfluss dem Wärmetauscher nachgelagert ist, wobei der erste Durchfluss und der zweite Durchfluss wärmegekoppelt sind. Auf diese Weise kann das dem Verdampfer zuströmende Arbeitsmittel durch den aus dem Verdampfer abströmenden Wärmeträger vorgewärmt und damit insgesamt der Wirkungsgrad des ORC-Kreisprozesses verbessert werden.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn die Vorrichtung einen der Turbine im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagerten ersten Durchfluss eines Rekuperators und einen der Speisepumpe stromabwärts nachgelagerten zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators umfasst, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist. Dadurch kann der Wirkungsgrad des ORC-Kreisprozesses noch weiter verbessert werden.
An dieser Stelle wird angemerkt, dass sich die zur erfin- dungsgemäßen Vorrichtung offenbarten Varianten und die sich daraus ergebenen Vorteile gleichermaßen auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen und umgekehrt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer ORC- Anlage mit einem dem Verdampfer vorgeschalteten Wärmetauscher und eine diesen auf der Verdampferaustrittsseite überbrückende Bypass-Leitung und
Figur 2 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer ORC- Anlage mit einem dem Verdampfer vorgeschalteten Wärmetauscher und eine diesen auf der Verdampfereintrittsseite überbrückende Bypass-Leitung;
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung 1 zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Umwandlung einer
Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert. Die Vorrichtung 1 umfasst einen Verdampfer 2 zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene Turbine 3, die mit einem Generator 4 gekoppelt ist, einen stromabwärts gelegenen Kondensator 5, eine stromabwärts gelegene Speisepumpe 6, die von einem Motor 7 angetrieben ist, und eine Rückführung zum Verdampfer 2. Zusätzlich ist einem Ablauf 8 des Verdampfers 2 ein erster Durchfluss eines Wärmetauschers 9 im Strom eines Wärmeträgers zur Erhitzung des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert, und einem Zulauf 10 des Verdampfers 2 ist ein zweiter Durchfluss des Wärmetauschers 9 stromaufwärts vorgelagert, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist. Dadurch passiert der dem Verdampfer 2 zugeführte Wärmeträger zur Erhitzung des Arbeitsmittels nach dem Verdampfer 2 den ersten Durchfluss des Wärmetauschers 9 und vor dem Verdampfer 2 den zweiten Durchfluss des Wärmetauschers 9, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist.
Auf diese Weise kann die Differenz zwischen der Temperatur Wärmeträgers, welcher der in der Fig. 1 dargestellten Anlage zugeführt wird, und der Temperatur des Wärmeträgers, welcher von der in der Fig. 1 dargestellten Anlage abgeführt wird, vergleichsweise hoch sein, ohne die zulässige Grenztemperatur des ORC-Arbeitsmittels zu überschreiten. Dabei wird die Temperatur des zuströmenden Wärmeträgers auf ein zulässiges Niveau gebracht und gleichzeitig die Temperatur des weiterströ- menden Wärmeträgers angehoben.
Um die Temperatur des dem Verdampfer 2 zugeführten Wärmeträgers zu steuern beziehungsweise zu regeln, ist eine den ersten Durchfluss des Wärmetauschers 9 überbrückende erste By- pass-Leitung 11 vorgesehen, deren Durchfluss steuerbar/regelbar ist. Konkret ist in die erste Bypass-Leitung 11 dazu ein steuerbares/regelbares Ventil 12 eingefügt. Dadurch wird der Wärmeträgerstrom vor dem Wärmetauscher 9 aufgeteilt, und der durch den Wärmetauscher 9 geführte Teil und der am Wärmetauscher 9 vorbei geführte Teil werden gesteuert/geregelt. Beispielsweise kann das Ventil 12 als Stellventil ausgeführt sein, das mit einer Steuerung/Regelung verbunden ist. Im Falle einer Regelung wird die Stellung des Ventils 12 vorteilhaft so beeinflusst, dass sich am Zufluss des Verdampfers 2 eine gewünschte Temperatur einstellt.
Alternativ oder zusätzlich zum Ventil 12 könnte in die erste Bypass-Leitung 11 auch eine steuerbare/regelbare Pumpe eingefügt sein, mit welcher der Durchfluss durch die erste Bypass- Leitung beeinflusst werden kann.
Als zusätzliche den Wirkungsgrad der Vorrichtung 1 verbessernde Maßnahme ist dem Verdampfer 2 in der Fig. 1 ein ers- ter, in den Kreislauf des Arbeitsmittels eingebundener Durchfluss eines optionalen Vorwärmers 13 stromaufwärts vorgelagert und ein zweiter, in den Strom des Wärmeträgers eingebundener Durchfluss dem Wärmetauscher 9 nachgelagert, wobei der erste Durchfluss und der zweite Durchfluss wärmegekoppelt sind. Das dem Verdampfer 2 zuströmende Arbeitsmittel wird auf diese Weise durch den aus dem Verdampfer 2 abströmenden Wärmeträger vorgewärmt . Der Wirkungsgrad der in der Fig. 1 gezeigten Vorrichtung 1 wird darüber hinaus noch durch einen der Turbine 3 im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagerten ersten Durchfluss eines optionalen Rekuperators 14 und einen der Speisepumpe 6 stromabwärts nachgelagerten zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators 14 verbessert, wobei der erste und der zweite Durchfluss wärmegekoppelt sind.
Fig. 2 zeigt nun eine Variante der Vorrichtung 1, welche der in der Fig. 1 dargestellten Variante sehr ähnlich ist. Im Un- terschied dazu ist anstelle der den ersten Durchfluss des
Wärmetauschers 9 überbrückende ersten Bypass-Leitung 11 eine zweite Bypass-Leitung 15 vorgesehen, welche den zweiten
Durchfluss des Wärmetauschers 9 überbrückt und deren Durchfluss steuerbar/regelbar ist.
Konkret ist in die zweite Bypass-Leitung 15 dazu ein steuerbares/regelbares Ventil 16 eingefügt. Dadurch wird der Wärmeträgerstrom vor dem Wärmetauscher 9 aufgeteilt, und der durch den Wärmetauscher 9 geführte Teil und der am Wärmetauscher 9 vorbei geführte Teil werden gesteuert/geregelt. Beispielsweise kann das Ventil 16 wiederum als Stellventil ausgeführt sein, das mit einer Steuerung/Regelung verbunden ist. Im Falle einer Regelung wird die Stellung des Ventil 16 vorteilhaft so beeinflusst, dass sich am Zufluss des Verdampfers 2 eine gewünschte Temperatur einstellt.
Auf diese Weise kann die Differenz zwischen der Temperatur Wärmeträgers, welcher der in der Fig. 2 dargestellten Anlage zugeführt wird, und der Temperatur des Wärmeträgers, welcher von der in der Fig. 2 dargestellten Anlage abgeführt wird, ebenfalls vergleichsweise hoch sein, ohne die zulässige
Grenztemperatur des ORC-Arbeitsmittels zu überschreiten.
Alternativ oder zusätzlich zum Ventil 16 könnte in die zweite Bypass-Leitung 15 auch wiederum eine steuerbare/regelbare Pumpe eingefügt sein, mit welcher der Durchfluss durch die erste Bypass-Leitung beeinflusst werden kann.
Abschließend wird angemerkt, dass die ORC-Vorrichtung auch mehr oder weniger Bauteile als dargestellt umfassen. Schließlich wird angemerkt, dass sich die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung auf beliebige Art und Weise kombinieren lassen. Insbesondere können die erste und die zweite Bypass Leitung 11 und 15 gemeinsam angewendet, das heißt die in der Fig. 1 dargestellte Variante der Vorrichtung 1 mit der in der Fig. 2 dargestellten Variante kombiniert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vorrichtung (1) zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Um- Wandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein organisches Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert, umfassend
einen Verdampfer (2) zum Verdampfen des Arbeitsmittels, eine stromabwärts gelegene Turbine (3) ,
- einen stromabwärts gelegenen Kondensator (5) ,
eine stromabwärts gelegene Speisepumpe (6) und
eine Rückführung zum Verdampfer (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
einem Ablauf (8) des Verdampfers (2) ein erster Durchfluss eines Wärmetauschers (9) im Strom eines Wärmeträgers zur Erhitzung des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagert und einem Zulauf (10) des Verdampfers (2) ein zweiter Durchfluss des Wärmetauschers (9) stromaufwärts vorgelagert ist, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine den ersten Durchfluss des Wärmetauschers (9) überbrückende erste Bypass-Leitung (11) , deren Durchfluss steuerbar/regelbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine den zweiten Durchfluss des Wärmetauschers (9) überbrückende zweite Bypass-Leitung (15) , deren Durchfluss steuerbar/regelbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste und/oder zweite Bypass- Leitung (11, 15) ein steuerbares/regelbares Ventil (12, 16) eingefügt ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die erste und/oder zweite Bypass- Leitung (11, 15) eine steuerbare/regelbare Pumpe eingefügt ist .
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdampfer (2) ein erster, in den
Kreislauf des Arbeitsmittels eingebundener Durchfluss eines Vorwärmers (13) stromaufwärts vorgelagert ist und ein zweiter, in den Strom des Wärmeträgers eingebundener Durchfluss dem Wärmetauscher (9) nachgelagert ist, wobei der erste
Durchfluss und der zweite Durchfluss wärmegekoppelt sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet, durch einen der Turbine (3) im Kreislauf des Arbeitsmittels stromabwärts nachgelagerten ersten Durchfluss eines Rekuperators (14) und einen der Speisepumpe (6) stromabwärts nachgelagerten zweiten Durchfluss des genannten Rekuperators (14), welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist.
8. Verfahren zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Umwandlung einer Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie, bei dem ein Arbeitsmittel in einem Kreislauf zirkuliert und der
Kreislauf einen Verdampfer (2) zum Verdampfen des Arbeitsmit- tels, eine stromabwärts gelegene Turbine (3) , einen stromabwärts gelegenen Kondensator (5) , eine stromabwärts gelegene Speisepumpe (6) und eine Rückführung zum Verdampfer (2) um- fasst ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein dem Verdampfer (2) zugeführter Wärmeträger zur Erhitzung des Arbeitsmittels nach dem Verdampfer (2) einen ersten
Durchfluss eines Wärmetauschers (9) und vor dem Verdampfer (2) einen zweiten Durchfluss des Wärmetauschers (9) passiert, welcher mit dem ersten Durchfluss wärmegekoppelt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträgerstrom vor dem Wärmetauscher (9) aufgeteilt wird und der durch den Wärmetauscher (9) geführte Teil und der am Wärmetauscher (9) vorbei geführte Teil gesteuert/geregelt werden.
PCT/EP2014/074167 2014-01-22 2014-11-10 Vorrichtung und verfahren für einen orc-kreisprozess WO2015110196A1 (de)

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